Chapitre 1 :Etude du cadre du projet
1. Présentation de société
1.6. Description du procédé de production du ciment
1.6.1. Extraction des matières premières, concassage et pré-homogénéisation
rocheuses d’une carrière à ciel ouvert. Des explosifs assurent l’abattage de la roche, la matière obtenue est transportée par des engins dits dumper vers l’atelier de concassage.
Le concassage consiste à réduire les blocs de matières extraites en grains. Ces derniers seront ramenés, du concasseur, sur des transporteurs à bande de caoutchouc vers le hall de pré
Etude du cadre du projet
Figure 4: Vue en photo du stock de la matière primaire Deux tas sont placés entre deux murs en béton :
Tas haut titre (HT) : constitué de calcaire
Tas bas titre (BT) : constitué d’un mélange de calcaire et de marne.
Ces tas de matières vont subir le phénomène de pré-homogénéisation, afin d’avoir des matières homogènes. Cette opération est réalisée à l’aide du gratteur, qui opère perpendiculairement au tas; de telle façon, qu’il reprend toutes les couches, simultanément dans les deux parties du stock.
Figure 5: Pré-homogénéisation de matière première 1.6.2. Broyage du mélange cru
Pour produire des ciments de qualité constante, les matières premières doivent être soigneusement dosées et mélangées de façon à obtenir une composition régulière. De plus pour avoir la composition chimique voulue, il est généralement nécessaire d’affiner cette composition par des ajouts correctifs (minerai de fer dans le cas de notre société).
Etude du cadre du projet
Figure 6: Vue extérieure du broyeur a cru 1.6.3. Homogénéisation de la poudre crue
Sortant du broyeur la poudre est stockée des silos (pout la SCB, les silos S01 et S02, ayant une capacité nominale de 10 000 tonnes chacun).
L’homogénéisation de la poudre crue dans chaque silo se fait par un circuit d’air comprimé à contrecourant, celle-ci peut être introduite directement dans le four sous forme pulvérulente (dans le cas de procédure de fabrication par voie sèche, cas de SCB).
1.6.4. Cuisson et clinkérisation
La transformation de poudre crue se fait par un transfert de chaleur à contre-courant dans un four rotatif, essentiellement constitué par un tube cylindrique tournant de 1.5 à 3 tours par minute et incliné vers l’aval de 3 à 4% de tels fours ont une longueur de 30 à200 mètres et un diamètre de 2à 6 mètres « par exemple le four N° 2 des ciments de Bizerte a 178m de long et 5.5m de diamètre.
Le cru, introduit en amont du four rotatif, progresse lentement dans le four par gravité.
Au fur et à mesure de sa progression, la température s’élève jusqu’à atteindre la température maximale de 1450°C.
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1.6.5. Refroidissement
Un refroidissement brutal (de 1450 à 80°C) permet de figer le clinker dans l’état où il se trouve à hautes températures, la forme minéralogique acquise lors de la clinkérisation est alors conservée à températures ambiantes.
Aux ciments de Bizerte il y a deux types de refroidissement employés :
Refroidisseur à ballonnet au four II
Refroidisseur à grille au four I
Le refroidissement se fait en utilisant de l’air ambiant permettant de porter la température de 1450°C a environs 80°C en un temps le plus bref « 20mn pour le four w2 et 12mn pout le four w1 ».
Le clinker est stocké dans de grands silos. Il est repris au fur et à mesure des besoins.
1.6.6. Broyage du clinker
C’est le fait de réduire les grains de clinker en grains plus fin de ciment, selon une granulométrie bien déterminée, pour faciliter l’hydratation des composants et cela en présence de gypse et quelques ajouts (calcaire). Cette fonction est réalisée par le broyeur à boulets illustré par la figure 8.
Figure 8: Broyeur à boulets.
1.6.7. Stockage, Ensachage et Expédition
Après broyage le ciment est stocké dans des silos par type. L’ensachage est assuré par quatre ensacheuses de capacité totale de 4500 sac par heure.
Après les diverses étapes de contrôle de la qualité du ciment ce dernier est expédié vers les lieux d’utilisation soit après ensachage en sacs de 50Kg soit en conteneurs ou bien en vrac par camions.
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Figure 9: Chargement des camions 2. Système existant et cahier de charge
2.1.Système existant :
La supervision de l’atelier du broyage s’effectue actuellement par le logiciel PCS7 installépar la société POLYSUS en 2014. Il s’agit en fait d’un produit de Siemens qui compte parmi les premiers systèmes de contrôle de procédés sur le marché international et qui offre le potentiel nécessaire à la réalisation de solutions innovantes à la hauteur des exigences de l'industrie de procès grâce à sa diversité fonctionnelle, sa flexibilité et ses performances.
Cette installation a apporté des avantages pour le fonctionnement de l’atelier.
Néanmoins, le système de contrôle commande existant présente plusieurs inconvénients qui se découlent essentiellement de :
Problèmes logistiques :
Le personnel n’est pas encore apte à manipuler PCS7 vue la manque de formation. Une panne exige alors l’intervention des ingénieurs étrangers de la part de POLYSUS puisque le personnel n’est pas bien capable d’apporter des modifications sur le programme en cas de besoin. Ce qui peut augmenter considérablement le coût de la maintenance.
L’interface existante
Il s’agit d’une interface de supervision uniquement, il manque de la gestion de modelocalet central.En fait nous devons ajouter un mode maintenance (Local avec verrouillage) en plus suite à la supervision de programmation à l’aide de l’outil WINCC flexible nous devons gérer les alarmes (côté sécurité système).
L’atelier est actuellement semi automatisé :
Le processus de stockage du produit fini dans des silos selon son type n’est pas encore automatisé, ceci dit, l’opérateur choisit un silo manuellement sur terrain en utilisant des boutons. Ce qui peut mener à des défaillances en termes du temps et du coût.
Etude du cadre du projet
Problèmes au niveau du contrôle de la température:
Le contrôle de la température des paliers s’effectue manuellement, ce qui mène à l’exploitation des valeurs non exactes.
Ces difficultés peuvent affecter directement la productivité des Ciments de Bizerte. Après réflexion, il a fallu trouver une solution rapide pour ce problème. La société possède dans son magasin un stock de matériels non utilisé : des automates industriels et des appareillages électriques qui peuvent être bien exploitée en vue d’améliorer le fonctionnement de ses ateliers.
D’où la proposition d’élaborer un nouvel outil performant qui peut être utilisé comme moyen de sécurité dans le cas d’une panne affectant le système de contrôle commande actuel en utilisant une autre automate et un langage compréhensible qui peut aider facilement les techniciens chargés de la maintenance sans être obligés à demander l’aide des ingénieurs étrangers.
2.2.Cahier des charges :
Nous nous intéressons à la réalisation d’un nouveau système de contrôle commande répondant à toutes les exigences en termes de supervision. Ce système permettra alors d’effectuer un switching vers une solution alternative en cas de défaut pour assurer la continuité de la production.
Pour atteindre cet objectif, un cahier des charges a été élaboré :
Nous avons choisi alors de suivre la méthodologie à quatre étapes suivantes :
1. L’étude du système existant : à travers la description détaillée du fonctionnement de l’atelier concasseur ainsi que l’identification de toutes les entrées/sorties.
2. Spécification des besoins : à travers une analyse fonctionnelle bien précise et claire afin de faciliter la programmation par la suite.
3. Choix d’un automate à être programmée selon les exigences de la société.
4. Etude et conception de la nouvelle solution basée sur un système numérique (automate programmable industriel après son choix judicieux) et la configuration de l’unité de supervision pour la conduite de l’atelier de broyage du ciment.
5. Programmation et test.
Etude du cadre du projet
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons donné une présentation du cadre de travail du projet, encommençant par un aperçu sur le domaine cimentier puis en élaborant une description détaillée du processus de fabrication du ciment suivie d’une idée générale sur les systèmes de contrôle commande pour terminer avec les limites du système existant et l’élaboration du cahier des charges.
Etude fonctionnelle et temporelle
Chapitre 2 :
Etude fonctionnelle et temporelle
Etude fonctionnelle et temporelle
Introduction
Suite au choix de la société « Les Ciments de Bizerte » de mettre àniveau son système semi - automatisé au sein de l’atelier de broyage a cru, nous allons utiliser comme méthode de conception SADT. Cela nous permettra de détailler l’ensemble de l’atelier en vue de faciliter la programmation. Suite à l’analyse fonctionnelle, nous allons lister lors de ce chapitre les besoins pour l’ensemble de l’installation en nombre d’entrées et de sorties en indiquant leur types ce qui nous permettra en second lieu de choisir l’automate adéquat satisfaisant ses besoins.
Vu les recommandations stratégiques de la société qui opte pour l’utilisation des automates SIEMENS, nous allons présenter différentes familles et choisir un qui sera utilisé pour la suite de notre travail.
1. Analyse fonctionnelle
En vue de réussir la réalisation de ce projet, nous avons procédé à uneanalyse fonctionnelle qui décrit le fonctionnement de l’ensemble duprocédé.
1.1.Cycle de production de la matière crue
Etape 1 : Alimentation en matière première
La matière première sera stockée dans un hall où il se trouve quatre zones : deux hauts titres et deux bas titres.
L’extraction du haut titre et du bas titre est faite par deux gratteurs et transportée par des bandes jusqu'aux trémies qui seront pesées pour le démarrage du circuit du stockage.
Pour le minerai de fer, le transport se fait par trax et des bandes transporteuses jusqu'à la trémie minerai de fer.
Etape 2 : Alimentation du broyeur
L’alimentation du broyeur se fait par une trainasse (A02) et 3 bandes (B01, A01, D01 et une lamelle D02).
Etape 3 : Alimentation en gaz chaud
Pour que la matière soit cassant e, il faut que le broyeur a cru soit chaud. Le gaz chaud est attiré du four par un ventilateur V03.
Etape 4 : Broyage de la matière
La matière sera répartie sur l’assiette où elle sera broyée par 3 galets fixesmais libres en rotation d’après le moteur M03, ensuiteelle traverse le séparateur S07 qui va séparer la matière fine des grandes particules qui seront passées par les bandes refus RX1 et RX2.
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 10: Broyeur vertical du mélange cru
Etape 5 : Filtrage de la matière
Le produit final traverse le filtreà manche P21 capable de séparer la matière du gaz ainsi ce dernier sera dégagé à l’extérieur par un ventilateur d’extraction V02 et la matière va passer vers le vis qui la transportera vers les silos par l’intermédiaire des bandes de transporteuse U08, U07 et U06 et des vis transporteuse U01, U02, U03 et U04.
Figure 11: filtre a manche
Figure 12: bandes transporteuse
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 13: Transporteur à vis
Etape 6 : Stockage de la matière
La matière sera stockée par deux silos avant le stockage de la matière il traverse les deux sasses de homogénéisations S01 et S02.
1.2.La méthode SADT
L'acronymeS.A.D.T signifier :System Analysis and Design Technic. Cette méthode a été mise au point par la société Softech aux Etats Unis. Laméthode SADT est une méthode d'analyse par niveaux successifs d'approche descriptive d'un ensemble quel qu'il soit. Nous pouvons appliquer le SADT à la gestion d'une entreprise tout comme à un système automatisé.
Le SADT va permettre d'aider à la gestion d'un projet. Par son rôle d'analyse, il sera possible de l'utiliser à tous niveaux de la conception du SA au codage (programmation du système automatisé).
Le SADT est avant tout un langage de communication. Cette communication se fait à différents niveaux. Au niveau de l'élaboration du projet tout d'abord en permettant par son formalisme à chacun de participer, ensuite lors d'explications à des intervenants extérieur eus son formalisme permet à chacun d'appréhender le SA (Système Automatisé).
La fonction principale de l’atelier illustrée par la figure consiste au broyage du calcaire, marne et minerai de fer: Cette fonction réalisée par un broyeur à galets nécessite, du gaz chaud ainsi qu’un ensemble de contrôles tels que l’énergie électrique(w), l’exploitation(E) et l’ordre de mise en marche et les consignes depuis l’interface Homme/Machine, et des réglages des paramètres (R).
C R W E
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 14:Actigramme A-0 : fonction principale de l’atelier de broyage
Afin de mieux assimiler son fonctionnement, l’atelier de broyage a été subdivisé en cinq fonctions principales : Communiquer avec le système, gérer le système, transférer l’énergie,
broyer les mélanges cruset finalement détecter les positions, les niveaux et mesurer les températures. La notion de groupe facilite l’organisation de la séquence marche, la programmation et surtout la supervision pour l’opérateur puisqu’elle clarifie la gestion des alarmes et la détermination des défauts du processus.
Figure 15:Actigramme A0 : fonction principale de l’atelier de broyage
Etude fonctionnelle et temporelle
Transporter la matière vers le broyeur
Alimenter le broyeur par le gaz chaud
Broyer et séparer la matière dans le broyeur
Homogénéisation
Filtrer la matière
Transporter la matière vers le silo
Stocker la matière
Figure 16 :Actigramme A4 : fonction broyer la matière 1.3.Analyse temporelle : GRAFCET
1.3.1. Les modes
Nous allons dresser le GRAFCET relatif au mode central.
Les autres modes seront traités directement à partir de l’interface. En effet pour le mode local, il suffit d’activer par un clic l’unité à choisir. Quant au mode maintenance, permet à figer le fonctionnement en cours c’est-à-dire local avec verrouillage.
1.3.2. GRAFCET point de vue système
Le programme principal proposé (figure n°17) décrit le fonctionnement de tout l’atelier et permetde gérer les transitions entre les étapes.
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 17: GRAFCET point vue système 1
Transporter la matière vers le broyeur
Matière au niveau de broyeur
Alimenter le broyeur avec le gaz chaud
Broyeur prêt
Broyer la matière
Matière broyée
Séparer la matière fine du grand
Matière fine
Matière au niveau des silos
0 Attente
Mise en marche
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1.3.3. GRAFCET de démarrage
La modélisation par grafcet du démarrage de l’atelier de broyeur a. cru est illustrée par la figure ci-dessus. Il représente l’acheminement séquentiel du démarrage de l’atelier. Ce dernier, est effectué dans le sens contraire du cycle de production (voir annexe 1).
V02=1
Etude fonctionnelle et temporelle
P21=1
V01=1
F01=1
S01=1
VX1 VX2 VX3 VX4 VX5 VX6
S02=1
𝐴𝑈𝑃21. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑃21. 𝑅𝑀𝑃21. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇.𝑃21. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑃21
𝐴𝑈𝑉𝑋𝑛. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑉𝑋𝑛. 𝑅𝑀𝑉𝑋𝑛. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑉𝑋𝑛. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑉𝑋𝑛
𝐴𝑈𝑉01. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑉01. 𝑅𝑀𝑉01. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑉01. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑉01
𝐴𝑈𝐹01. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝐹01. 𝑅𝑀𝐹01. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝐹01. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝐹01
𝐴𝑈𝑆01. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑆01. 𝑅𝑀𝑆01. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑆01 . 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑆01
V03=1
RX1=1
RX2=1
S07=1
𝐴𝑈𝑉03. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑉03. 𝑅𝑀𝑉03. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑉03 . 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑉03
𝐴𝑈𝑆07. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑆07. 𝑅𝑀𝑆07. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑆07. 𝑇𝐸𝑀𝑃𝑀𝐴𝑋
𝑆𝐸𝑃𝑆07< 90 . 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑆07 𝐴𝑈𝑅𝑋2. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑅𝑋2. 𝑅𝑀𝑅𝑋2. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑅𝑋2. 𝐷𝐸𝐵𝑇𝐸𝑇𝐸𝑅𝑋2. 𝐷𝐸𝐵𝑃𝐼𝐸𝐷𝑅𝑋2. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑅𝑋2
𝐴𝑈𝑅𝑋1. 𝐷𝐼𝑆𝐽𝑅𝑋1. 𝑅𝑀𝑅𝑋1. 𝑉𝐴𝑅𝑃𝑅𝐸𝑇𝑅𝑋1. 𝐷𝐸𝐵𝑇𝐸𝑇𝐸𝑅𝑋1. 𝐷𝐸𝐵𝑃𝐼𝐸𝐷𝑅𝑋1. 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑟𝑖𝑠𝑒𝑟𝑅𝑋1
Etude fonctionnelle et temporelle supports (racks) dans lesquels viennent s’enficher les différents modules fonctionnels :
L’alimentation 110/220 VCA ou 24 VCC
L’unité centrale de traitement à base de microprocesseur,
Des cartes d’entrées/sorties logiques (TOR),
Des cartes d’entrées/sorties analogiques (ANA),
Des cartes de comptage rapide,
Etude fonctionnelle et temporelle
Figure 19: principe de lecture et commande de l’API 2.2.Critères de choix
Lors de cette étape, nous avons passé à la déclaration des besoins du système en nombre d’entrées/ sorties afin de pouvoir choisir l’automate le plus adapté.
2.2.1. Critères techniques
Lors de l’étude des documents qui nous ont été fournis, nous avons classé les entrées et les sorties en trois groupes :
Entrées Tout ou Rien (TOR) : Ce sont des capteurs tout ou rien ou les boutons et commutateur, leurs signaux de sortie sont soit à 0 soit à 1. Nous citons par exemple les capteurs de détection, des capteurs inductifs, des fins de course etc.
Entrées Analogiques : Ce sont des capteurs dotés de convertisseurs qui transforment les grandeurs physiques en mesure électrique (4 à 20 mA). Nous citons par exemple des capteurs de températures, de vibration etc. Ils fournissent au système une mesure analogique exacte en temps réel. Ils nécessitent un traitement supplémentaire lors de la programmation qui consiste à la mise à l’échelle de la mesure obtenue.
Sortie Tout ou Rien (TOR) : Ce sont les sorties de commandes des moteurs, des ventilateurs, des bandes etc.
En conclusion, notre application nécessite 231 entrées de type TOR, 15 entrées analogiques et 56 sorties de type TOR.Sur la base de ce nombre d’entrées et de sorties et la taille du programme nous allons choisir l’automate approprié de la famille Siemens
2.3.Choix retenue de l’automate
Vu le choix de la société qui s’est porté sur l’utilisation des automates Siemens, 3 références
Etude fonctionnelle et temporelle
Tableau 1: comparaison des caractéristiques d’automate siemens
Critère\Automate S7 200 S7 300 S7 400
8192/8192 octets 16384/16384 octets
Temps d’exécution
1400Ko (CPU 319) 30Mo (CPU 319)
Décision Non retenu Retenu Non retenu
Vu le nombre d’entrées et de sorties de l’ensemble de l’atelier, nous remarquons que l’automate S7 200 ne peut pas satisfaire les besoins du projet, contrairement aux deux autres automates. Mais vu le prix élevé du S7 400, le choix s’est porté sur l’automate S7 300.
2.3.1. Présentation de l’automate S7300
Etude fonctionnelle et temporelle
Tableau 2 : Comparaison des CPU de l'automate S7300
Vu le nombre d’entrées et de sorties, le nombre des temporisateurs et des compteurs, le temps d’exécution, l’utilisation de la communication avec un pupitre opérateur ainsi que le besoin de l’entreprise pour une extension ultérieure, le choix du processeur s’est porté sur CPU 315-2DP.
3. Câblage de l’automate
Cette partie est réservée pour mettre en contact les entrées et les sorties TOR du système traité aussi les entrées analogiques pour cela nous avons besoin des cartes d’E/S.
CPU CPU 312 CPU 313 CPU 314 CPU 315C -2DP Conclusion Non retenue Non retenue Non retenue Retenue
Etude fonctionnelle et temporelle
3.1.Câblage des entrées TOR
Le principe du câblage des entrées TOR est très simple, il est définipar alimenter tout d’abord l’automate avec une tension de 0V et 24V puis lier les entrées disponibles avec des contacteurs comme le présente la figure n°20.
Figure 20:Câblage des entrées TOR d’un automate 3.2.Câblage des sorties TOR
La figure n°21nous identifie comment la carte de sortie est câblée. Chaque sortie est liée à une résistance thermomagnétique.
Figure 21: Câblage de sorties 24 V
Etude fonctionnelle et temporelle
3.3.Câblage des entrées analogiques
Le câblage des entrées analogiques est un petit peu différent que le câblage des entrées TOR.
Conclusion
Ce chapitre résume la démarche que nous avons suit lors de l’automatisation de l’atelier de broyage a cru.
En premier lieu, nous avons entamé la partie de l’analyse fonctionnelle par l’utilisation de la méthode SADT, pour passer ensuite à l’illustration du câblage de l’automate.
Une explication plus détaillée de cette dernière tâche sera traitée dans le chapitre suivant.
Mise en œuvre de la solution
Chapitre 3:
Mise en œuvre de la solution
Mise en œuvre de la solution
Introduction
Nous nous intéressons dans ce chapitre à développer le nouveau système de contrôle commande de l’atelier du broyage après avoir déterminé les spécifications fonctionnelles et techniques, Pour ce faire, nous commençons par donner une idée sur l’architecture des automates, ensuite nous commençons l’établissement du nouveau système, pour ce faire, nous passons par la programmation de l’automate sous Step7.
1. Réalisation du programme
1.1. Représentation du logiciel STEP7 professionnel
Dans cette partie du chapitre, nous allons décrire l’outil de la programmation du broyeur à cru. Pour la réalisation du projet nous avons intérêt à utiliser le logiciel STEP7.
Le STEP7 fait partie de l’industrie logiciel SIMATIC. Il représente l’outil de base pour la configuration et la programmation, ainsi le test et la maintenance des systèmes d’automatisation à base d’automate S7-300. Il intègre aussi différents outils pour faciliter le travail, tels que :
Une interface utilisateur SIMATIC manager commune à tous les outils logiciels intégrés et optionnels.
Figure 22: SIMATIC manager
Nous allons traverseraussi différentes langage de programmation tel que : graphe séquentiel S7-GRAPH, langage structuré S7-SCL, schéma à contact, listes d’instructions etc.
S7-PLCSIM : c’est un logiciel de simulation qui permet de tester le programme sans disposer d’un automate réel.
Figure 23: Simulateur S7-PLCSIM
Mise en œuvre de la solution
Pour la réalisation de notre projet nous avons intérêt à adopter le langage à contact qui est un langage très proche du schéma électrique.
1.2. Présentation du logiciel de programmation STEP7 V5.5
Après avoir choisi l’automate ainsi que le CPU, nous sommes passés à la partie de la programmation. Nous avons utilisé le logiciel STEP7 V5.5 qui représente le logiciel de base pour la configuration et la programmation des systèmes automatisés SIMATIC.
Ce dernier offre plusieurs avantages :
Ce dernier offre plusieurs avantages :